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羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的研究

发布日期:2015-01-13 09:55:41
羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的研究
羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的研究:
羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的研究,对作为纸张增强剂的羧甲基淀粉钠(CMS)的增强机理进行了初步的研究。结果表明,CMS对纸 张有明显的增强效果,且不同品种的CMS增强效果是有差异的;CMS溶液中氣化物含量越高,对纸 张的增强效果起到的积极作用越大;取代度对CMS的纸张增强效果有很大的影响,高取代度的CMS 和低取代度的CMS比中等取代度的CMS对纸张的增强效果要好;在pH = 7.0?7.5时,CMS的增强 效果最好。对于PAE/CMC二元增强系统,可以用CMS浆内添加来替代CMC。
在浆内使用时,有较好的增强效果。这主要是由 于CMS分子中有大量的羧基存在,在纸页成形过程 中可使纤维之间的结合能力增加,因而可使纸页的强 度得到提高。本文主要针对CMS的增强机理进行了 初步的研究。
1实验部分
1.1实验原料
漂白针叶木浆,打浆度为40 °SR;漂白阔叶木 浆,打浆度为34 °SR;硫酸铝;阳离子淀粉(CS);羧甲 基淀粉(CMS),山东海祥生物工程有限企业生产,市
场上有售。其主要质量指标如表1所不。
竣甲基淀粉钠(Sodium Corboxymethyl Starch,简 称CMS),又称羧甲基淀粉或羧甲基淀粉醚w,是变性 淀粉的主要品种之一。CMS是一种白色或略带黄色 的粉末,为高分子电解质,具有强水溶性,其糊化温 度比原淀粉低,可直接溶于冷水。
CMS的应用与澳门威利斯人88038(CMC)相似,十 分广泛,可作乳化剂、增稠剂、黏合剂、稳定剂、食品 添加剂、上浆剂、悬浮剂、成膜剂和匀化剂等[2]。目前 CMC已在我国大规模生产,但生产成本高,原料不易 处理。而CMS的基本原料一一面粉来源广泛,价廉易 得,并具有生产投资少、上马快等优点,且性能稳定 性好。
实验步骤
CMS加料抄纸顺序:分散浆料—加入一定量 的CMS—*•加入明硏,调节pH—?搅拌5 min *•抄 造成纸~物检。
CS加料抄纸顺序:分散浆料+加入一定量的 CS+搅拌5 min—抄造成纸一^物检。
1J检测项目
氯化物含量的测定:称取样品1.020 0 g,置于 250 mL锥形瓶中,加入少量无水乙醇湿润,迅速加入 150 mL水,5?10滴《;(过氧化氢)=30%的溶液,加 热至样品全部溶解并缓和沸腾10 min,冷却至室温, 加2 mL铬酸钾指示剂,用C(AgN03)=0.1 md/L标准 溶液滴定至橙红色即为终点。
氯化物(以 NaOH 计)=0.0584 FM/mxl00% 式中:F为样品耗用AgNO,标准溶液体积,mL;M为 AgN03标准溶液量浓度,为样品质量,g[3]。
纸张物理强度性能的测定按国家标准方法 进行。
2结果与讨论
2.1淀粉品种和不同加入量对纸张性能的影响 2.1.1淀粉品种对抗张指数的影响
图1和图2为不同品种、不同用量的淀粉对2 .种浆料的抗张指数的影响结果。
如图1和图2所示,在用量一定的情况下,不 同品种的CMS增强效果是有差异的。羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的研究,这主要是由 于这些产品的结构存在一定的差异。纸和纸板的 抗张强度主要受纤维的结合力和纤维本身强度的 影响,其中纤维的结合力是影响抗张强度的决定因 素。而不同淀粉品种之间结构的差异导致纤维
-CMS -纤维之间结合程度的不同,从而导致其对纸 张增强效果的不同。
2.1.2淀粉加入量对抗张指数的影响
实验中所用原纸的定量为63.37 g/m2,抗张指 数为45.13 N*m/g。从图1和2中可看出,加入 CMS或CS之后,不管是针叶木浆还是阔叶木浆, 其抗张指数均有显著的提高。其中CMS在用量为 1%时,抗张指数达到最大值;之后随着用量的继续 增加,抗张指数基本不变或略有下降。同时与CS 相比较,CMS对抗张指数的提高作用更胜一筹。
2.2氣化物含量对纸张增强效果的影响
玉米未洗CMS和玉米洗涤CMS最主要的区别 就是氯化物含量的不同。因考虑到氯化物对环境的危 害故对玉米未洗CMS用酒精进行洗涤,以减少CMS 溶液中氯化物的含量。本实验对玉米未洗CMS和玉 米洗涤CMS氯化物含量进行测定,结果为玉米未洗 CMS:9.23%,玉米洗涤CMS:5.9%。以针叶木浆为例, 结果如表2所示。
玉米未洗CMS对纸张的增 强效果均优于玉米洗涤CMS。但是在加入量为1% (最佳用量)时,二者的抗张指数相差仅为1.10 N*m/g, 且CMS溶液中所含氯化物含量越高,对环境的危害 也就越大。近几年随着人们环保意识的提高,人们更 注重于在保证质量的基础上,节约能源和减少污染。 因此在降低氯化物含量的同时,提高其对纸张的增 强性能是今后发展的一个重要方向。
2.3取代度对于纸张増强效果的影响
取代度反映的是淀粉被羧甲基取代的程度,而 羧甲基是CMS的功能基。因此取代度是衡量CMS的 重要质量指标。考虑到取代度的差异会影响到CMS 对纸张的增强效果,本实验分别取低取代度(DS= 0.22)、中取代度(DS=0.62)和高取代度(DS=0.92)的 玉米CMS样品,探讨取代度对纸张增强效果的影响。 结果如表3所示(CMS用量为1%)。
表3不同取代度对于纸张增强效果的影响
DS
0.220.620.92
定量/(g.nr2)62.2162.0063.33
抗张指数/(N.m.g—1)46.1044.8746.34
耐折度 / 次136812291552
由表3可知,这3种CMS对纸张的增强效果为 髙取代度(DS=0.92)Mft取代度(05=0.22)>中取代度 (DS=0.62)。由此可见,低、高取代度的CMS比中取代 度的CMS对纸张的增强效果要好,其中以高取代度 DS=0.92的CMS增强效果最好。但由于本实验的局 限性,以及其他因素如氯化物含量、pH等都会影响 CMS对纸张的增强效果,所以关于不同取代度CMS 对纸张增强效果的影响有待于进一步研究。
2.4不同pH、不同取代度玉米CMS对纸张增强
效果的影响
由于CMS带负电荷,而纸浆中的纤维也带负电 荷,羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的研究,因此必须在纸浆中加入硫酸铝,使其起到“架 桥”作用(又称络合作用),从而使纤维与CMS靠静 电引力相互吸引起到增强作用。而浆料的pH又决 定着硫酸铝中铝离子的存在形式以及纤维上羧基 的电离和CMS的水解程度。分别取低取代度(DS= 0.22)、中取代度(DS=0.62)和高取代度(DS=0.92)的 玉米CMS样品,在用量一定的情况下(本实验CMS 用量为1%)探讨pH对纸张增强效果的影响,结果 如表4所示(原纸定量为63.54 g/cm2,抗张指数为 40.07 N-m/g)0 
表4不同p胃代度CMS对于纸张增强效果的影响
pH
5677.58
DS=0.62定量/(g-m-2)66.8066.2164.3464.1964.78
抗张指数/(NMivg-1)37.5939.6444.8846.5244.45
抗张指数增值/%-6.19-1.0712.0016.1010.93
DS=0.22定量/(g.m-2)66.9465.1664.2463.6565.10
抗张指数/(NTn.g-1)37.3839.3350.0145.1443.51
抗张指数增值/%-6.71-1.8524.8112.658.58
DS=0.92定量/(g*nT2)67.4263.7664.1363.2262.37
抗张指数37.8338.0950.6348.9647.21
抗张指数增值/%-5.59-4.9426.3522.1917.82
 
目前,硫酸铝是配合增强剂使用的最为广泛的 一种阳离子电解质。它不仅能使增强剂和纤维之间 形成良好的键结合,而且价格低廉,使用方便。“配 位学说”认为,硫酸铝在水中电离成铝离子和硫酸 根离子,但铝离子不是以单独的三价铝离子(Al3。 的形式出现,而是与6个水分子配位络合形成三价
的水和铝离子。六水铝离子为正八面体结构。同时 铝离子的组成会随pH的变化而改变w。一般认为, 硫酸铝在水中的特性如表5所示。
表5硫酸铝在水中的特性
pH<4A1存在形式
pH =4 ?5[A1(H20)6]^
pH=5[AKHOKH^),]^
5< pH<7[AHHOWHjOW*
pH=7 ?7.5[AI(H0)3(H20)3]
pH為8[AKHOMH^))]-
当pH专4?5时,部分羧基被质子化,纤维表 面电负性比较小,羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的研究,而此时硫酸铝中大部分铝以AP 形式存在。三价铝的吸附主要靠AP与纤维的羧基 进行有限量的离子交换来完成,因此吸附能力较 小,使得浆料中的硫酸铝不能起到好的“架桥”作 用,纤维间结合力较小,所以在PH=5时纸张强度较 低,甚至出现负增长现象。
随着pH的增加,大约在pH=7?7.5时,硫酸铝 中的铝主要以人1(011)3沉淀的形式存在,但沉淀表 面仍有阳离子电荷存在。表面电荷和低溶解性导致 纤维和CMS对Al(OH)3强烈的吸附,进一步形成 氢键结合,使纤维间结合力增大,所以在PH=7?7.5 时抗张指数达到最大值。
当pH=8时,A1(0H)4_开始形成,A1(0H)3随 之减少,浆料体系中纤维、CMS、A1(0H)4-因带同种 电荷而相互排斥,硫酸铝不但起不到架桥作用,反 而有削弱纤维间结合的作用。
综上所述,当浆料pH在7?7.5之间时,纤维 和CMS表面的电性以及硫酸铝的存在形式都有利 于纤维-CMS-纤维间形成良好的吸附结合,进而 达到最佳的增强效果。
2.5 CMS浆内添加替代CMC
PAE和CMC是造进中常用的增强剂,单独使用 时各有各的优点,但是二者都存在一定的局限性。经 实验研究表明,在用量相同或更少的情况下,PAE/ CMC二元系统对纸张的增强效果优于单独使用PAE 或CMC,包括干/湿裂断长、耐破指数和撕裂指数,且 在二元增强系统中,PAE和CMC处理纸浆的顺序对 增强效果的影响不大[5]。而CMS的物理化学性质与 CMC相似,因此可替代CMC作为浆内添加剂与PAE 配合使用,来提高纸张的强度。本实验分别取低取代 度(DS=0.22)、中取代度(DS=0_62)和高取代度(DS= 0.92)的玉米CMS样品,在不同用量的情况下,探讨
PAE/CMS二元系统对纸张的增强效果,结果如图3 所示(本实验中所用原纸的定量为61.03 g/m2,抗张 指数为42.22 N*m/g。所用PAE为本实验室自制高固 含PAE,固含量为35%,用量为1%)。
不管是PAE/CMS二元系统 还是PAE/CMC二元系统,在CMS和CMC用量分别 为 0.10%、0.20%、0.30%、0.40%和 0.50%时,与原纸 相比,其抗张指数均有显著的提高。且在用量为 0.30%时,抗张指数均达到最大值,之后随着用量的 继续增加,抗张指数略有下降。因此,CMS和CMC 的用量分别以0.30%为最佳。与PAE/CMS二元系 统相比,PAE/CMC二元系统对抗张指数的提高作 用略胜一筹。但是在用量为0.30%时,PAE/CMC增 强系统的抗张指数为59.43 N*m/g,而PAE/CMS (DS=0,92)为58.09 N^n/g,可见二者对纸张抗张指 数的影响相差并不大。且近几年随着纤维素的供应 日趋紧张,CMC价格日益昂贵,而CMS原料来源丰 富、价格低廉。因此,完全可以用CMS浆内添加来替 代 CMC。
3结论
不同品种CMS的增强效果是有差异的。当 CMS加入量为1%时,羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的研究,对纸张的增强效果最好。与CS 相比较,CMS对抗张指数的提高作用更胜一筹。CMS 溶液中的氯化物含量越髙,对纸张的增强效果起到 的积极作用越大。
取代度DS对CMS的纸张增强效果有很大的影 响:高取代度CMS和低取代度CMS比中等取代度 CMS对纸张的增强效果要好,其中以高取代度CMS 增强效果及使用性能最佳。pH对CMS增强效果的 影响很大,在pH = 7.0?7,5时CMS的增强效果最 好,所以CMS适用于中性抄纸。
在PAE/CMC二元增强系统中,可以用CMS浆 内添加替代CMC来提高纸张的增强效果。
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